Kvanttivalon muotoilua tulevaisuuden teknologioille

Wits-yliopiston tutkijat ovat yhteistyössä Barcelonan autonomisen yliopiston yhteistyökumppaneiden kanssa osoittaneet, kuinka kvanttivaloa voidaan muokata avaruudessa ja ajassa luomaan korkeaulotteisia ja moniulotteisia kvanttitiloja.

Heidän työnsä korostaa, kuinka strukturoidut fotonit – valo, jonka avaruudelliset, ajalliset tai spektraaliset ominaisuudet on tarkoituksella muokattu – tarjoavat uusia reittejä suuren kapasiteetin kvanttikommunikaatiolle ja edistyneille kvanttiteknologioille.

Nature Photonics -lehdessä katsausartikkelina julkaistu tutkimus tarkastelee nopeaa kehitystä tekniikoissa, joilla voidaan luoda, manipuloida ja havaita kvanttirakenteista valoa. Näihin kuuluvat sirulle integroitu fotoniikka, epälineaarinen optiikka ja monitasoinen valonmuunnos, jotka muodostavat nyt modernin ja yhä tehokkaamman työkalupakin. Yhdessä nämä edistysaskeleet tuovat strukturoituja kvanttitiloja lähemmäs reaalimaailman sovelluksia kuvantamisessa, sensoritekniikassa ja kvanttiverkoissa.

Fotonien strukturoinnin keskeinen etu on kyky käyttää korkeaulotteisia koodausaakkosia, mikä mahdollistaa suuremman informaation määrän fotonia kohden ja paremman kohinansietokyvyn. Tämä tekee kvanttirakenteisesta valosta lupaavan alustan turvalliselle kvanttikommunikaatiolle.

Kirjoittajat kuitenkin huomauttavat, että jotkin reaalimaailman kanavat ovat edelleen epäsuotuisia spatiaalisesti strukturoiduille fotoneille, mikä rajoittaa pitkän matkan siirtoa verrattuna perinteisempiin vapausasteisiin, kuten polarisaatioon. ”Vaikka olemme edistyneet hämmästyttävästi, on edelleen haastavia kysymyksiä”, professori Andrew Forbes sanoo. ”Sekä klassisen että kvanttipohjaisen strukturoidun valon kantama on edelleen hyvin pieni... mutta tämä on myös mahdollisuus, joka stimuloi etsimään abstraktimpia vapausasteita hyödynnettäväksi.”

Yksi nouseva lähestymistapa on antaa kvanttitiloille topologisia ominaisuuksia, jotka tarjoavat luonnostaan kestävyyttä häiriöille. ”Olemme äskettäin osoittaneet, kuinka kvanttiaaltofunktioilla on luonnostaan potentiaalia olla topologisia, ja tämä lupaa kvantti-informaation säilymisen, vaikka lomittuminen olisi hauras”, Forbes sanoo.

Katsausartikkelissa dokumentoidaan myös nopeaa kehitystä moniulotteisessa lomittuneisuudessa, ultranopeassa ajallisessa strukturoinnissa, epälineaarisissa kvantti-ilmaisumenetelmissä ja sirulle sijoitetuissa lähteissä, jotka pystyvät tuottamaan tai käsittelemään kvanttivaloa korkeammissa ulottuvuuksissa kuin aiemmin oli mahdollista.

Esiteltyjä sovelluksia ovat korkean resoluution kvanttikuvantaminen, strukturoituja fotoneja käyttävä tarkkuusmetrologia ja kvanttiverkot, jotka kykenevät siirtämään enemmän informaatiota useiden kytkettyjen kanavien kautta.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttivalo syntyy renkaassa ja lähtee kiertueelle

Tiedemiehet avaavat oven "kvanttivalon" manipulointiin